DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

Start > Beiträge > Plakate > Materialcharakterisierung: Print

Qualifiziertes Prufkonzept Zum Zerstorungsfreien Fehlernachweis in dickwandigen gummierten Papierwalzen

K. L. Feiste; W. Reimche; F.-W. Bach: Institut für Werkstoffkunde, Universität Hannover, Garbsen
W. König: Materialprüfanstalt für Werkstoffe und Produktionstechnik Hannover, Garbsen
G. Hülmann: TÜV Hannover/Sachsen-Anhalt e. V., Hannover
Kontakt: Dr.-Ing. Karsten Feiste

0. Abstract

In der Papier erzeugenden Industrie kommen gummierte Stahlwalzen zu Einsatz, welche entsprechend ihres Einsatzortes und ihrer Funktionalität hoher mechanischer sowie chemischer Beanspruchung ausgesetzt sind. In Abhängigkeit der Belastungshistorie können speziell bei schwingungstechnisch nicht überwachten Walzen spontane Brüche und daraus resultierende Folgeschäden auftreten.

Um die Integrität von gummierten Stahlwalzen sicher nachzuweisen, wurde in Zusammenarbeit zwischen dem TÜV Hannover/Sachsen-Anhalt e.V., der Materialprüfanstalt für Werkstoffe und Produktionstechnik Hannover und dem Institut für Werkstoffkunde der Universität Hannover ein Prüfkonzept entwickelt und qualifiziert. Hierbei wurde das Ziel verfolgt, mögliche, für Walzenbrüche verantwortliche innen- oder außenliegende, rissartige Ungänzen im Stahlkörper durch Einsatz zerstörungsfreier Prüftechnik schnell zu lokalisieren und in quantitativer Form zu verifizieren.

Im Rahmen der Arbeiten wurde aufgezeigt, das bei der vorliegenden Problemstellung ein schnelles Monitoring durch die Verwendung einer problemangepassten 8-Kanal-Wirbelstrom- C-Scantechnik mit und ohne Vormagnetisierung mit hoher Nachweisempfindlichkeit realisierbar ist. Beim industriellen Einsatz des Prüfsystems vor Ort konnten nachweispflichtige Anzeigen durch konventionelle Ultraschall- und Durchstrahlungsprüftechniken in quantitativer Form verifiziert werden.

1. Problemstellung

In einem Abstand von vier Jahren kam es zu zwei Brüchen von in Bild 1 dargestellten, gummierten Filzleitwalzen einer Papierproduktionsanlage. Die Brüche starteten jeweils von der Innenseite der Hohlwalzen in Form von Schwingbrüchen (Bild 2 links). Da nach dem zweiten Schaden der Verdacht bestand, dass weitere der schwingungstechnisch nicht überwachten Walzen des Walzengestells vorgeschädigt sein könnten, wurde ein Prüfverfahren gesucht, dass es erlaubt, mögliche Trennungen im Werkstoffvolumen der gesamten Walzen sicher nachzuweisen.


Bild 1:
Prüfobjekt "Gummierte Filzleitwalze"

Bild 2:
Schadensbild und abgeleitetes Prüfkonzept (schematisch)

Der zylindrische Hohlkörper der Walzen besteht aus ferromagnetischem Stahl (St35) mit einer Wandstärke von ca. 16mm und ist außen mit einer ca. 6mm starken Gummierung versehen (Bild 1). Die bei den untersuchten Schadensfällen aufgefundenen Risse verlaufen transkristallin ohne Verzweigungen und quer zur Walzenlängsachse.

An das Prüfverfahren wurde demnach die Forderung gestellt, von der Walzenaußen- sowie auch Walzeninnenseite startende Materialtrennungen mit hoher Empfindlichkeit nachzuweisen. Als kritische Fehlergröße und damit Registriergrenze wurde ein 2mm tiefer Querfehler (12,5% der Wandstärke) auf der Innenseite des Stahlkörpers festgelegt.

2. Ableitung des Prüfkonzeptes

Die Anforderungen an das zu qualifizierende Prüfkonzept ergaben sich wie folgt:
  • Nachweisempfindlichkeit für Innenquerfehler ab 2mm Fehlertiefe
  • Prüfung von außen, da die Walzeninnenseite nicht zugänglich ist
  • Prüfung durch 6mm Gummierung unterschiedlicher Dichte und Haftung
  • Hohe Prüfgeschwindigkeit und begrenzte Prüfkosten

Für Voruntersuchungen standen mehrere Walzenbruchstücke sowie zwei Originalwalzen zur Verfügung, aus denen zunächst Testkörper mit künstlichen Innen- und Außenfehlern unterschiedlicher Tiefe gefertigt wurden.

Die akustische und mechanische Beschaffenheit der Hartgummierung ermöglichte es, mit der manuellen Ultraschallschrägeinschallung Testfehler im Stahlkörper aufzufinden. Verwendet wurde hierfür ein Miniaturwinkelprüfkopf 45°(Stahl), 4MHz und ein Impulsschallgerät. Sowohl Schwankungen der Gummierungsschichtdicke als auch Haftungsunterschiede erforderten zur Sicherstellung der Prüfempfindlichkeit eine walzenabhängige Transferkorrektur.

Die Anwendung der Durchstrahlungsprüfung unter Verwendung eines Iridium192 Strahlers in Doppelwanddurchstrahlung mit Filmtechnik zeigte ebenfalls zuverlässige Ergebnisse auf. Negativ machen sich bei der Verwendung der Ultraschall- und/oder Durchstrahlungsprüftechniken am gesamten Walzenkörper jedoch der hohe Zeit- sowie Prüfaufwand und die daraus resultierenden hohen Prüfkosten bemerkbar.

Abhilfe schaffte hier die problemangepasste Weiterentwicklung eines Wirbelstromscanners in 8-Kanaltechnik, dem das SLOFEC Messprinzip zu Grunde liegt. Bei ausreichender Prüfempfindlichkeit eignet sich dieses Verfahren insbesondere zum schnellen Monitoring der Walzenkörper. Die Verifikation registrierpflichtiger Anzeigen ist abschließend mit den vorab genannten Prüftechniken in gezielter Form mit geringem Aufwand möglich.

Das sich hieraus ableitende Prüfkonzept ist im rechten Bereich des Bildes 2 schematisch dargestellt. Zusätzlich sind die zur Anwendung kommenden Prüfverfahren in Bild 3 aufgeführt.

Bild 3: Industriell angewandte zerstörungsfreie Prüfverfahren

3. SLOFEC - Messprinzip

Für das Monitoring der gummierten Walzenkörper wurde ein nach der sogenannten SLOFECTM-Technologie (Saturated LOw Frequency Eddy Current) arbeitendes und von der Fa. KontrollTechnik, Schwarmstedt an die Problemstellung angepasstes 8-Kanal- Scannersystem eingesetzt.

Im Gegensatz zur Außenfehlerprüfung, bei dem das konventionelle Wirbelstromverfahren zum Einsatz kommt, wird zur Prüfung auf Innenfehler eine Wirbelstromprüfung mit zusätzlicher Vormagnetisierung des zu erfassenden Bauteilbereichs durchgeführt. Örtliche Fehlstellen im ferromagnetischen Walzenkörper, wie z.B. rissartige Innenquerfehler beeinflussen hierbei die lokale Ausbildung der magnetischen Flussdichte (Bild 4). Hieraus resultierende, ortsabhängige Permeabilitätsänderungen können empfindlich mit Hilfe des überlagerten Wirbelstromprüfverfahrens nachgewiesen werden.


Bild 4: SLOFEC - Physikalisches Messprinzip (schematisch)

Das Scannersystem verfügt über 8 in Umfangsrichtung angeordnete Wirbelstromsensoren, die sich zwischen den Polen der Magnete befinden. Jeder Sensor hat eine Breite von 25 mm. Die Sensoren sind lückenlos aneinander gefügt, woraus eine Messspurbreite des Systems von 200 mm in Umfangsrichtung resultiert. Da das System modular aufgebaut ist, lassen sich problemangepasste Messspurbreiten realisieren.

4. Prüfdurchführung und Ergebnisse

4.1 Kalibrierung des Monitoring Systems


Bild 5:
Kalibrierung des SLOFEC-C-Scanners an Testprüfkörpern

Die Systemkalibrierung auf Innen- und Außenfehler erfolgte an zwei, aus gummierten Walzenabschnitten gefertigten Testkörpern mit künstlich, quer zur Walzenlängsachse eingebrachten Innen- bzw. Außenfehlern (Sägeschnitten) unterschiedlicher Tiefe (Bild 5 links). Als Registriergrenze wurde die Anzeige eines 2mm tiefen Sägeschnittes auf der Innenseite des Walzentestkörpers vereinbart. Die Empfindlichkeit der Messkanäle des Monitoring Systems wurde für diesen Referenzfehler auf einen Amplitudenwert von zwei Skalenteilen eingestellt (Bild 5 rechts).

4.2 Monitoring mit SLOFEC

Die zu prüfende Walze wird in einzelne Prüfbahnen von je 200 mm Breite aufgeteilt und sowohl auf Außenfehler als auch auf Innenfehler geprüft. Dementsprechend sind pro Prüfspur zwei voneinander unabhängige Prüfdurchgänge, mit bzw. ohne Vormagnetisierung erforderlich. Hierbei ist auf eine ausreichende Überlappung der Prüfbahnen zu achten. Die während des Monitoring erfassten, ortsabhängigen Wirbelstromsignale werden automatisch auf dem Prüfrechner gespeichert und stehen für sich anschließende Arbeitsschritte, wie Ergebnisanalyse, -bewertung und -dokumentation zur Verfügung.

4.3 Ergebnis des Monitoring


Bild 6:
Ergebnis des Monitoring (Wirbelstrom-C-Scandarstellung)

Für die Darstellung der Ergebnisse werden die Wirbelstromanzeigen entsprechend ihrer Amplituden vorwählbaren, farbcodierten Klassen zugeordnet und als ortsabhängige Farbgraphik (C-Scan-Darstellung) auf dem Monitor des Prüfrechners ausgegeben (Bild 6). Mit Hilfe der Walzentestkörper wird die Zuordnung zwischen der Farbkodierung und der Tiefe der zu detektierenden rissartigen Fehler geschaffen.

In Bild 6 sind exemplarisch die Wirbelstrom-C-Scans zweier geprüfter Walzen abgebildet. Während im oberen Bildbereich die Ergebnisse der Außenfehlerprüfung ohne Vormagnetisierung abgebildet sind, befinden sich im unteren Bildbereich die Ergebnisse der Innenfehlerprüfung mit Vormagnetisierung.

Bei fünf geprüften Walzen wurden insgesamt 48 registrierpflichtige Anzeigen detektiert und hinsichtlich Amplitude, Phase und Koordinaten tabellarisch erfasst. Zusätzlich wurden vier Anzeigen aufgrund der Anzeigenform und/oder der Lage auf der Walze aufgenommen, so dass insgesamt 52 Anzeigen mittels Ultraschall- und/oder Durchstrahlungsprüfungen verifiziert werden mussten. Als registrierpflichtig wurden Anzeigen eingestuft, die die Amplitude des Referenzfehlers erreichten oder überschritten. Die typischen umlaufenden Anzeigen im Bereich des Wanddickenübergangs Walzenkörper/eingeschrumpfte Lagerzapfenbuchse (beidseitig ca. 260mm vom Walzenkörperende) wurden bei der Auswertung nicht berücksichtigt.

4.4 Verifikation registrierpflichtiger Anzeigen

Die Verifikation der registrierpflichtigen Wirbelstromanzeigen mittels Ultraschall ergab keine Befunde entsprechend dem als Registriergrenze festgelegten Referenzfehler. Eine zusätzliche Absicherung des angewandten Monitoringverfahrens und der Prüfparameter erfolgte mittels Durchstrahlungsprüfung. Dabei konnten keine Anzeigen detektiert werden, die auf rissartige Werkstofftrennungen hindeuteten. Aufgrund der Verifikationsergebnisse konnte davon ausgegangen werden, dass die Wirbelstromanzeigen überwiegend Gefügeinhomogenitäten zugeordnet werden können, die aus der Walzenfertigung resultierten. Bei einer Walze konnte eine flächige, örtlich begrenzte Ablösung der Gummierung vom Walzenkörper mit überlagerter Oberflächenkorrosion verifiziert werden (Bild 6 - Anzeigen 51 und 52).

5. Zusammenfassung

Mit einem Wirbelstromscanner in 8-Kanaltechnik, dem das SLOFEC Messprinzip zu Grunde liegt, war es möglich, die geforderte Prüfempfindlichkeit mit Hilfe einer schnellen, bildgebenden Prüftechnik zu erreichen, womit sich das Verfahren insbesondere zum schnellen Monitoring der Walzenkörper eignet. Basierend auf den Ergebnissen des Monitoring wurden Prüfbereiche mit registrierpflichtigen Anzeigen abschließend mit Ultraschall- bzw. Durchstrahlungsprüftechniken vermessen und somit die Anzeigen des Monitoring gezielt verifiziert. Unter Verwendung des qualifizierten Prüfkonzeptes betrug die Prüfzeit inklusive Anzeigenbewertung und -verifikation etwa zwei Stunden pro Walze.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net